最遥远的类星体发现了超大质量黑洞如何生长的光影

一个国际天文学家团队发现了宇宙中最遥远的类星体，该类星体是在大爆炸之后大约6.7亿年完全形成的。

类星体在大爆炸之后仅6.7亿年就完全形成，并由已知的最早的超大质量黑洞提供动力，可洞悉早期宇宙中巨大星系的形成。

由亚利桑那大学领导的一组天文学家观测到距地球130.3亿光年的发光类星体-迄今为止发现的最遥远的类星体。类星体可以追溯到大爆炸之后的6.7亿年，当时宇宙仅是其当前年龄的5％，类星体拥有一个超大质量的黑洞，相当于16亿个太阳的总质量。

除了是最遥远的，而且最早是最早的类星体，该天体也是同类中的第一个，它表明有过热气体流出的风从黑洞周围逸出了五分之一。光速。除了揭示强类星体驱动的风之外，新观测还显示了类星体（正式名称为J0313-1806）所在的宿主星系中强烈的恒星形成活动。

研究人员将在2021年1月11日至15日之间举行的美国天文学会第237次会议的新闻发布会和科学演讲期间，介绍他们的发现，这些发现已被发表在天体物理学期刊快报上。 。

一个国际天文学家团队发现了宇宙中最遥远的类星体，该类星体是在大爆炸之后大约6.7亿年完全形成的。

三年前发现了婴儿宇宙中类星体的先前记录保持者。亚利桑那大学团队也为这一发现做出了贡献。类星体被认为是由于超大质量黑洞吞没了周围的物质（例如气体，甚至整个恒星），导致了过热物质的漩涡（称为吸积盘，在黑洞周围旋转）。由于涉及巨大的能量，类星体是宇宙中最明亮的光源之一，通常比它们的宿主星系更耀眼。

尽管J0313-1806比以前的记录保持者仅相距2000万光年，但新的类星体包含一个超大质量的黑洞，其重量是其两倍。这标志着宇宙学的重大进步，因为它对早期宇宙中黑洞的形成提供了迄今为止最强的约束。

该论文的主要作者，UArizona管家天文台的哈勃研究员Feige Wang说：“这是超大质量黑洞如何影响其周围星系的最早证据。”“通过对距离较远的星系的观察，我们知道这是必须发生的，但我们从未见过如此早在宇宙中发生。”

在宇宙还很小的时候，类星体已经在其黑洞中积累了数百万甚至数十亿个太阳质量，这对试图解释它们是如何在没有时间的情况下诞生的科学家构成了挑战。关于黑洞形成的一种普遍接受的解释是，一颗恒星在生命尽头以超新星的形式爆炸并坍塌成黑洞。当这些黑洞随着时间合并时，从理论上讲，它们可以成长为超大质量的黑洞。但是，就像每年要花一美元来建立退休基金需要很多人一生一样，早期宇宙中的类星体有点像学步百万富翁。他们一定已经通过其他方式获得了他们的质量。

新发现的类星体通过排除在如此短的时间尺度内形成超大质量黑洞的两个当前模型，提供了新的基准。在第一个模型中，大质量的恒星主要由氢组成，缺乏构成后来的恒星的大多数其他元素，包括金属，在年轻的星系中形成了第一代恒星，并为新生的黑洞提供了食物。第二个模型涉及密集的星团，这些星团从一开始就坍塌成一个巨大的黑洞。

然而，根据发现它的团队，类星J0313-1806拥有一个太大的黑洞，无法用上述情况解释。研究小组计算得出，如果黑洞的中心早在大爆炸之后就形成了1亿年，并且以尽可能快的速度增长，那么它仍然必须至少有10,000个太阳质量。

“这告诉您，无论您做什么，这个黑洞的种子一定是由不同的机制形成的，”合著者，亚利桑那大学天文学系副主任范晓辉说。“在这种情况下，涉及大量原始冷氢气的气体直接塌陷到种子黑洞中。”

由于这种机制不需要成熟的恒星作为原料，因此它是唯一一种在类星体如此早期就允许类星体J0313-1806的超大质量黑洞增长到16亿太阳质量的机制。范解释说，这就是使新记录类星体如此有价值的原因。

他说：“一旦您降低了红移，所有的模型都可以解释那些距离较远，质量较小的类星体的存在。”“为了使黑洞增长到我们在J0313-1806中看到的大小，它必须以至少10,000太阳质量的种子黑洞开始，而这只有在直接坍塌的情况下才有可能。 。”

新发现的类星体似乎提供了对宇宙黎明时银河系生命的难得一见，当时许多已经变慢或停止了很久的银河系塑造过程仍在如火如荼地进行着。 。

根据当前的星系演化模型，超大质量黑洞在其中心生长可能是星系最终停止制造新恒星的主要原因。类星体就像是一个具有宇宙比例的喷灯一样，会猛烈轰炸其周围的环境，有效清除其宿主星系中的大部分冷气，而冷气是恒星形成的原料。

“我们认为那些超大质量的黑洞是许多大星系在某个时刻停止形成恒星的原因，”范说。“我们以较低的红移观察到这种'淬灭'，但是直到现在，我们还不知道这个过程在宇宙历史中是如何开始的。这种类星体是淬火可能在很早的时候就发生的最早证据。”

通过测量类星体的光度，王的团队计算出，其中心的超大质量黑洞平均每年吸收相当于25个太阳的质量当量，这被认为是其高速热等离子风吹入恒星的主要原因。以相对论速度围绕它的银河系。为了进行比较，银河系中心的黑洞大部分都处于休眠状态。

尽管银河系每年以大约一个太阳质量的悠闲速度形成恒星，但J0313-1806却在同一时期产生了200个太阳质量。

Wang说：“这是一个相对较高的恒星形成率，与其他类似年龄的类星体中观察到的恒星形成率相似，它告诉我们宿主星系的增长非常快。”

范补充说：“这些类星体可能仍在建立其超大质量黑洞的过程中。”“随着时间的流逝，类星体的流出物加热并把所有气体排出银河系，然后黑洞不再有东西可以吃了，并且会停止增长。这是这些最早的大规模星系及其类星体如何生长的证据。”

该报告的第二作者，由Steward天文台的Peter A. Strittmatter研究员表示，研究人员期望在同一时期找到更多的类星体，包括潜在的新纪录破译者。杨和范在智利Las Campanas天文台的6.5米Magellan Baade望远镜上进行观测，发现那天晚上J0313-1806。

杨说：“我们的类星体调查范围很广，可以扫描几乎一半的天空。”“我们选择了更多的候选人，我们将根据这些候选人进行更详细的观察。”

研究人员希望通过未来的观察来发现类星体的秘密，尤其是目前计划于2021年发射的NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜。

Wang说：“使用地面望远镜，我们只能看到一个点光源。”“未来的观察可能使更详细地解决类星体成为可能，显示类星体的流出结构以及风向其星系延伸的距离，这将使我们对它的演化阶段有一个更好的认识。”

参考：王菲格，杨金怡，范小慧，约瑟夫·汉纳威，亚伦·巴特，爱德华多·巴纳多斯，富安·比安，康斯坦丁纳·布特西亚，托马斯·康纳，弗雷德里克·B·戴维斯，罗伯托·德卡利，安娜-克里斯蒂娜·埃勒斯（Christina Eilers），伊曼纽尔·保罗·法里纳（Emanuele Paolo Farina），理查德·格林（Richard Green），姜林华，李江涛，Chiara Mazzucchelli，里卡多·南尼（Riccardo Nanni），简·托格·辛德勒，布拉姆·威尼曼斯，法比安·沃尔特，吴雪冰和岳明浩（2021年1月14日） .DOI：
10.3847 / 2041-8213 / abd8c6

除了6.5米的麦哲伦·巴德（Magellan Baade）望远镜，该研究还使用了以下仪器：都位于夏威夷毛努阿卡的双子座北望远镜和W. M.凯克天文台；以及位于塞罗托洛洛美洲天文台的VíctorM. Blanco 4米望远镜和双子座南望远镜，以及位于智利阿塔卡马沙漠中的ALMA，阿塔卡马大毫米波阵列。Blanco望远镜的数据为DESI旧版影像调查提供了帮助，该数据通过NOIRLab社区科学和数据中心（CSDC）的天文数据实验室提供给天文社区，有助于首先识别J0313-1806，并使用了Gemini South观测值确认其为类星体。

研究团队还包括天文台的理查德·格林（Richard Green）和博士生岳明浩（Minghao Yue），他们俩都在管家天文台。该研究由美国国家航空航天局，国家科学基金会，欧洲研究理事会和中国国家科学基金会资助。

麦哲伦望远镜由包括亚利桑那大学在内的美国大学合作管理。

NSF的NOIRLab（国家光学红外天文学研究实验室）是美国地面光学红外天文学的中心，它运营着国际双子座天文台（NSF，NRC-Canada，ANID-Chile，MCTIC-Brazil，MINCyT-Argentina的设施） ，韩国大韩民国（KASI），基特峰国家天文台（KPNO），美洲塞罗·托洛洛国际天文台（CTIO），社区科学和数据中心（CSDC）和维拉·鲁宾天文台。它由美国天文研究大学协会（AURA）根据与NSF的合作协议进行管理，总部位于亚利桑那州图森。

天文学界很荣幸有机会在亚利桑那州的伊奥卡姆·杜阿格（Kitt Peak），夏威夷的毛纳基亚，智利的塞罗·托洛洛和塞罗·帕雄进行天文研究。我们认识到并承认这些遗址分别对Tohono O’odham民族，夏威夷土著社区和智利当地社区具有非常重要的文化作用和崇敬作用。